ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Квантовая теория рассеяния из "Лазерное дистанционное зондирование " Спонтанное излучение фотона возбужденным атомом являег-ся радиационным процессом первого порядка, а рассеяние электромагнитной энергии атомом (или молекулой)—процессом второго порядка, поскольку во взаимодействии участвуют два фотона. Фотон падающего излучения Йш исчезает, а появляется фотон рассеянного излучения Йсо . Рассеяние называется упругим, если частота рассеянного излучения os равна частоте падающего излучения со. Этот тип рассеяния квантовыми системами называется рэлеевским. Если имеет место изменение частоты так что o)s не равно со, то такое рассеяние называется неупругим или комбинационным, а разность энергий Н(а — oj) отражает изменение квантового состояния рассеивающего атома (или молекулы). [c.117] В разд. 2.8 мы рассматривали упругое рассеяние с классических позиций. В данной главе, прежде чем перейти к рассмотрению комбинационного рассеяния, мы кратко остановимся на квантовомеханической теории рэлеевского рассеяния. [c.117] Следует иметь в виду, что, поскольку выражение (3.158) получено с помощью квантовой теории возмущений, суммирование появляется в разультате разложения возмущенной волновой функции в бесконечный ряд по невозмущенным волновым функциям, при этом и появляются члены, которые можно интерпретировать как переходы с участием промежуточных состояний, называемых виртуальными [81]. Хотя с использованием выражения (3.158) и были выполнены расчеты для Нг, широкое применение этого выражения затруднено из-за недостатка информации о величине и знаке всех возможных членов, которые могут давать вклад, а также ввиду возможной интерференции членов, в общем случае имеющих различные фазы [81,82]. [c.119] При комбинационном рассеянии сечение имеет значение, на три порядка меньшее соответствующего сечения рэлеевского рассеяния, и рассеянный сигнал имеет сдвиг по частоте, который характеризует стационарные уровни энергии рассеивающей молекулы. Спектроскопия комбинационного рассеяния является мощным средством лазерного дистанционного зондирования, поскольку позволяет как идентифицировать, так и измерять концентрации малых газовых составляющих в смеси на фоне основных составляющих. [c.119] Структура комбинационного спектра часто является довольно -сложной даже для двухатомных молекул. В частном случае двухатомных молекул, имеющих электронный угловой момент тносительно оси молекулы, равный нулю (Л = 0), правила отбора [70] допускают колебательно-вращательные переходы. [c.120] ДЛЯ которых Вращательное квантовое число / может изменяться только на О или 2, а колебательное квантовое число V — только на О или 1, т. е. [c.120] При этом комбинационный спектр состоит из трех ветвей 3( 1 = +2), Q(AJ = 0) и 0(Л/ = —2)—и чисто вращательной структуры с центром около возбуждающей длины волны (при Ау = 0). в работе [83] выполнены теоретические расчеты распределения колебательно-вращательных комбинационных линий в спектре молекулы N2 при 300 К и Аи = - -1 (стоксов сдвиг). Результаты расчетов приведены на рис. 3.21. По оси ординат отложены значения дифференциального сечения рассеяния для каждой из комбинационных компонент, соответствующих колебательному переходу у==0- 1. Все линии р-ветви (А/ = 0) лежат очень близко друг к другу и обычно не могут быть разрешены спектральным прибором. 5- и 0-ветви (А/ = 2) хорошо разделены и проявляются в виде боковых полос интенсивной линии с А/ == 0. Следует отметить, что хотя вариации температуры влияют на интенсивность 5- и 0-ветвей, влияние на О-ветвь часто оказывается пренебрежимо малым. [c.120] Трудность использования спектров вращательного комбинационного рассеяния связана с тем, что они перекрываются с вращательными линиями основных составляющих атмосферы и большим сигналом обратного рассеяния Рэлея — Ми. В работах [94, 96, 97] отмечается, что эти трудности можно было бы преодолеть за счет тщательного выбора параметров интерферометра Фабри-Перо. [c.127] Как можно видеть, сечение неупругого рассеяния с переходом ё / равно произведению сечения поглощения для перехода 1я - 1г и квантовой эффективности спонтанного излучения на переходе г - / . [c.129] В приведенной выше теории существует одно интересное противоречие, которое проявляется в том, что в резонансных условиях между сечением рассеяния ag и сечением флюоресценции различие практически исчезает. Термин флюоресценция обычно используется для обозначения процессов излучения, продолжительность которых лежит в диапазоне наносекунд (или более) при низких давлениях и падает из-за столкновительного тушения при давлениях выше нескольких сотен паскаль. В то же время термин комбинационное рассеяние служит для обозначения двухфотонного процесса, протекающего практически мгновенно и поэтому не подверженного тушению (т. е, его интенсивность в расчете на одну молекулу не зависит от состава или давления газа, по крайней мере до давления в несколько сотен килопаскаль). В действительности выражение (3.170) описывает рассеяние при расстройке частоты, которая велика по сравнению с полной шириной линии, однако, как можно видеть, описывает и флюоресценцию на частоте, близкой к частоте разрешенного перехода. При высоких давлениях влияние однородного и неоднородного механизмов уширения, а также тушения усложняет рассмотрение вопроса. Зависимость сечений от давления и природа их изменчи вости в настоящее время нашли лишь частичное объяснение в теории и эксперименте [84, 99]. [c.129] что неопределенность данных о тушении в некоторой степени затрудняет однозначный вывод. В работе [101] указывается на то, что эти данные можно использовать для определения времени рассеяния в том случае, когда уширение за счет упругих столкновений не является важным. Для того чтобы обойти эту трудность, в работе [103] проведены прямые измерения времени рассеяния при отстройке частоты излучения одномодового аргонового лазера от резонансной линии /г наблюдалось значительное изменение времени рассеяния, когда отстройка лазера от резонанса не превышала 0,002 нм. [c.131] Можно полагать, таким образом, что механизм поглощения мог бы быть положен в основу наиболее чувствительного метода детектирования малых загрязняющих составляющих атмосферы. Ниже мы увидим, что хотя в принципе это и правильно, такие факторы, как поглощение другими более распространенными составляющими или ослабление за счет рассеяния атмосферными частицами, усложняют ситуацию. [c.134] Вернуться к основной статье